đề tài 17 ứng dụng của năng lượng hạt nhân trong điện hạt nhân

1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN1.1 Giới thiệu chung về luận văn Hiện nay, nguồn năng lượng hạt nhân ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rất nhiều tron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

Đề tài 17: ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN TRONG

ĐIỆN HẠT NHÂN

GV dạy bài tập: Ths.Lê Quốc Khải

Điểm nội dung (2 điểm) Tổng điểm

2 Nguyễn Hoàn Hảo 2210912

3 Lê Hoàng Giang 2113521

4 Phan Hoàng Gia Hân 2210946

5 Nguyễn Hữu Hảo 2052977

i

Để hoàn thành tiểu luận này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TpHCM vì đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đa dạng các loại sách, tài liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thông tin.Xin cảm ơn giảng viên bộ môn thầy Trần Văn Lượng đã giảng dạy tận tình, chi tiết để em có đủ kiến thức và - vận dụng chúng vào bài tập lớn này.Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến thức, trong bài tiểu luận chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía thầy để bài tiểu luận được hoàn thiện hơn Lời cuối cùng, em xin kính chúc thầy nhiều sức khỏe, thành công và hạnh phúc

ii

Năng nượng hạt nhân là một nguồn năng lượng bền vững làm giảm phát thải cacbon, gia tăng an ninh năng lượng do giảm sự phụ thuộc vào nguồn dầu mỏ nước ngoài, đảm bảo cung cấp năng lượng 24/7, mang lại sự ổn định, tin cậy cho lưới điện, tạo điều kiện tích hợp nhiều hơn vào lưới điện các dạng năng lượng tái tạo như gió và năng lượng mặt trời nhằm thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng sạch Ngoài ra, năng lượng hạt nhân với tư cách là nguồn cung cấp điện không phát thải carbon rất thích hợp để thay thế than đá và các dạng nhiên liệu hóa thạch khác, đồng thời cung cấp nhiệt và hydro

để loại bỏ dần carbon trong các lĩnh vực khó giảm thiểu như công nghiệp, hóa chất, giao thông vận tải… Không chỉ có vậy, điện hạt nhân với tỷ lệ hiện nay khoảng 10% tổng điện năng toàn cầu đã tạo ra hơn 800.000 việc làm cho thế giới Đây là những lý do quan trọng khiến cho năng lượng hạt nhân dù trải qua nhiều biến cố nhưng vẫn luôn có vị trí quan trọng trong các cuộc thảo luận về chính sách năng lượng và khí hậu của các nước Tuy nhiên, năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng chứa đựng nhiều tiềm năng nguy hiểm về việc phát thải chất phóng xạ ra môi trường nên cần phải được quản lý và xử lí một cách chặt chẽ Mặc dù còn tồn tại một số ý kiến trái chiều xung quanh vấn đề phát triển điện hạt nhân cả trong nước và trên thế giới, tuy nhiên không thể phủ nhận những đóng góp của điện hạt nhân đối với sự phát triển của nhiều quốc gia Đặc biệt tại một số quốc gia phát triển như Pháp, Mỹ, Nga, Nhật Bản, Ukraina, Thụy Điển…, điện hạt nhân chiếm tỷ trọng rất cao trong cơ cấu nguồn phát điện Qua sự phát triển thành công của các quốc gia đi trước, Việt Nam có thể cân nhắc về một nguồn cung năng lượng mới và có kế hoạch chuẩn bị các phương án dự phòng để đảm bảo nguồn cung điện cho phát triển kinh tế – xã hội trong tương lai xa

iii

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH iv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 1

1.1 Giới thiệu chung về luận văn 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 1

1.2.1 Mục tiêu của luận văn 1

1.2.2 Nhiệm vụ của luận văn 1

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LUẬN VĂN 2

2.1 Cấu tạo 2

2.1.1 Năng lượng hạt nhân là gì? 2

2.1.2 Sự phân hạch hạt nhân là gì? 2

2.2 Nguyên lý hoạt động 3

2.2.1 Nhà máy điện hạt nhân hoạt động gần tương tự như nhà máy nhiệt điện 3

2.2.2 Các loại lò phản ứng điện hạt nhân 3

2.2.3 Hoạt động của một nhà máy điện hạt nhân nước nhẹ 4

2.2.4 Sự biến đổi của năng lượng trong quá trình sản xuất điện hạt nhân: 4

2.2.5 Lò phản ứng hạt nhân: 5

2.2.6 Sự sản xuất điện trong nhà máy điện hạt nhân: 5

2.3 Ứng dụng của kĩ thuật Hạt nhân 6

2.3.1 Năng lượng hạt nhân 6

2.3.2 Năng lượng Nhiệt hạch và Vật lý Plasma 8

2.3.3 Vũ khí Hạt nhân 8

2.3.4 Ứng dụng Đồng vị Phóng xạ 9

2.3.5 Quản lý Rác thải Hạt nhân 10

2.3.6 Vật liệu Hạt nhân 10

2.3.7 Đo đạc Bức xạ 10

2.3.8 Vật lý Y khoa và Khoa học Sức khoẻ 11

CHƯƠNG 3: ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM 12

3.1 Ưu điểm 12

3.2 Nhược điểm 12

iv

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 13

4.1 Kết quả đạt được 13

4.2 Hướng phát triển của đề tài 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

v

Hình 1 2Hình 2 3

Hình 43

Hình 54

Hình 95

Hình .116

1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM

V Ụ LUẬN VĂN 1.1 Giới thiệu chung về luận văn

Hiện nay, nguồn năng lượng hạt nhân ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như nông nghiệp, công nghiệp, đảm bảo an toàn thực phẩm, khử trùng nước,…Ngoài ra, việc ứng dụng năng lượng hạt nhân vào việc phát triển điện hạt nhân đang dần trở thành xu hướng tất yếu khi giá nhiên liệu tăng cao cùng những tác động xấu của hiện tượng biến đổi khí hậu đang là nguyên nhân chính thúc đẩy một cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực năng lượng

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

1.2.1 M c tiêu c a lu ụ ủ ận văn

- Hiểu rõ về khái niệm và cấu tạo của năng lượng hạt nhân

- Hiểu rõ về nguyên lý hoạt động của năng lượng hạt nhân và quy trình sản xuất điện trong nhà máy điện hạt nhân

- Hiểu rõ về ứng dụng và tiềm năng phát triển của năng lượng hạt nhân trong thực

tế đặc biệt là trong điện hạt nhân

1.2.2 Nhi m v c a lu ệ ụ ủ ận văn

- Tìm hiểu về các khái niệm năng lượng hạt nhân, điện hạt nhân

- Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của năng lượng hạt nhân trong các nhà máy điện

- Nghiên cứu các ứng dụng của năng lượng hạt nhân trong điện hạt nhân

2

2.1 Cấu tạo

2.1.1 Năng lượ ng h ạt nhân là gì?

- Năng lượng hạt nhân là một dạng năng lượng được giải phóng từ hạt nhân lõi bên trong của - nguyên tử được tạo bởi các proton và neutron Nguồn năng lượng này có thể được tạo ra theo - hai cách: phân hạch hạt nhân khi hạt nhân của nguyên tử bị tách thành nhiều hạt nh- ân con- hoặc nhiệt hạch khi các hạt nhân nhỏ hợp nhất với nhau thành hạt nhân- lớn

- Năng lượng hạt nhân được khai thác trên khắp thế giới ngày nay để sản xuất điện là thông qua quá trình phân hạch hạt nhân, trong khi công nghệ tạo ra điện từ nhiệt hạch đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển

Mỗi khi phản ứng xảy ra, có một sự giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và bức xạ Nhiệt lượng có thể được chuyển đổi thành điện năng trong nhà máy điện hạt nhân, cũng giống như cách nhiệt từ nhiên liệu hóa thạch là than, khí đốt và dầu được sử dụng để tạo ra điện

Hình 1 Sự phân hạch

3

2.2 Nguyên lý hoạt động

2.2.1 Nhà máy điệ n hạt nhân ho ạt độ ng g ần tương tự như nhà máy nhiệ t điện

- Nguyên lý làm việc của nhà máy điện hạt nhân cũng giống như hoạt động của các nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch (than, dầu hoặc khí đốt…) để tạo ra điện Còn nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiệt lượng từ các phản ứng phân hạch hạt nhân để điều khiển các tuabin quay, từ đó tạo ra điện năng

Hình 2.Nguyên lí hoạt động của lò phản ứng hạt nhân

- Trong các lò phản ứng hạt nhân, quá trình tạo nhiệt này được thực hiện bởi các phản ứng phân hạch của các nhiên liệu hạt nhân, mà phổ biến nhất là Urani

2.2.2 Các lo i lò ph ạ ản ứng điệ n h t nhân ạ

- 90% lò phản ứng điện hạt nhân trên thế giới hiện nay thuộc loại lò phản ứng nước nhẹ Có 3 dạng lò phản ứng nước nhẹ Bao gồm lò phản ứng nước áp lực, lò phản ứng nước sôi và (hầu hết thiết kế của) lò phản ứng nước siêu tới hạn

- Lò phản ứng nước nhẹ là một kiểu lò phản ứng hạt nhân nơ tron nhiệt sử dụng nước thường làm chất làm lạnh và điều hòa nơ tron Các lò phản ứng nơ tron nhiệt là loại lò phản ứng hạt - -nhân phổ biến nhất Và các lò phản ứng nước nhẹ là phổ biến nhất trong các lò phản ứng nơ-tron nhiệt Những nội dung tiếp theo cũng sẽ tập trung mô tả hoạt động của nhà máy điện hạt nhân nước nhẹ

-4

2.2.3 Hoạt độ ng c a m ủ ột nhà máy điệ n h ạt nhân nước nhẹ

Chu trình hoạt động cơ bản của nhà máy điện hạt nhân với lò phản ứng nước áp lực có thể được đơn giản hóa trong 4 bước sau:

- Hấp thu nhiệt lượng từ phản ứng phân hạch của các nhiên liệu hạt nhân

- Tạo ra hơi nước trong bộ tạo nhiệt bằng nhiệt lượng thu được trước đó

- Làm quay bộ tua bin bằng cách sử dụng hơi nước tạo ra ở trên

- Tận dụng năng lượng cơ học của tuabin để chạy máy phát điện Máy phát điện này sẽ tạo

ra điện năng

Hình 3.Hoạt động của một nhà máy điện hạt nhân nước nhẹ

2.2.4 S ự biến đổ ủa năng lượng trong quá trình s n xu i c ả ất điện h t nhân: ạ

- Từ chu trình này, có thể thấy năng lượng được biến đổi qua từng giai đoạn Ban đầu chúng ta

có năng lượng hạt nhân Sau khi bị phá vỡ bởi phản ứng nhiệt hạch, nó trở thành nhiệt lượng Một phần nhiệt lượng được chuyển đổi thành nội năng của nước bằng cách trở thành hơi nước theo các nguyên tắc nhiệt động lực học Nội năng và nhiệt năng của nước được chuyển thành động năng khi tuabin được kích hoạt Cuối cùng, máy phát điện chuyển đổi động năng thành điện năng

5

2.2.5 Lò ph ản ứ ng h t nhân: ạ

- Hiệu suất của lò phản ứng hạt nhân dựa trên lượng nhiệt lượng thu được từ quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân Lượng nhiệt lượng này sẽ được chuyển đổi thành cơ năng thông qua các tuabin Cuối cùng, cơ năng này sẽ được chuyển đổi thành điện năng bằng máy phát điện

- Lò phản ứng hạt nhân chịu trách nhiệm xử lý phân hạch nguyên tử nhằm tạo ra rất nhiều nhiệt lượng Với lượng nhiệt này, lò phản ứng chuyển đổi nước thành hơi nước ở nhiệt độ và áp suất cao

Hình 4.Lò phản ứng hạt nhân Thorium

2.2.6 S s n xu ự ả ất điện trong nhà máy điện hạt nhân:

- Hơi nước thoát ra khỏi tòa nhà ngăn chặn do áp suất cao mà nó phải chịu Cho đến khi nó chạm tới tuabin, làm cho tuabin quay Tại thời điểm này, một phần nhiệt lượng của hơi nước đang được chuyển thành động năng Tua bin này được kết nối với một máy phát điện Theo đó động năng được chuyển thành điện năng

- Mặt khác, hơi nước đã thoát ra khỏi tuabin, mặc dù đã bị mất nhiệt lượng, vẫn tiếp tục tồn tại

ở thể khí và rất ấm Để tái sử dụng nước có trong lượng hơi nước này, người ta cần phải làm lạnh

6

nó trước khi đưa nó trở lại chu trình Sau khi ra khỏi tuabin, hơi nước đi vào buồng ngưng tụ Tại đây nó sẽ nguội đi và hóa lỏng khi tiếp xúc với đường ống dẫn nước lạnh Tiếp theo, người ta sử dụng máy bơm để bởm nước ngược trở lại lò phản ứng hạt nhân Chu trình tạo ra điện sẽ được lặp lại

- Chu trình này lí giải tại sao các nhà máy hạt nhân luôn được lắp đặt gần nguồn cung cấp nước lạnh (biển, sông, hồ) dồi dào để đưa nước này vào buồng ngưng tụ Cột khói trắng nổi lên từ các nhà máy chính là hơi nước bốc lên khi quá trình sản xuất điện diễn ra

2.3 Ứng dụng của kĩ thuật Hạt nhân

2.3.1 Năng lượ ng h ạt nhân

- Sự phát triển vượt bậc của ngành Kỹ thuật Hạt nhân trong nền công nghiệp hạt nhân chính là

sự phát triển nhà máy điện hạt nhân Tính tới thời điểm hiện tại có khoảng hơn 400 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động phát điện năng trên toàn thế giới, gần ¼ số nhà máy được xây dựng tại

Mỹ, phần còn lại chủ yếu phát triển tại một số quốc gia có nền công nghiệp hạt nhân tiên tiến như Pháp, Nhật Bản, Nga, Hàn Quốc, Ấn Độ, Canada, Anh và Trung Quốc Rõ ràng, năng lượng hạt nhân là lĩnh vực quan trọng của Kỹ thuật Hạt nhân, bao gồm một số các lĩnh vực chuyên sâu được liệt kê dưới đây

Mô hình hóa và mô phỏng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực này

2.3.1.2 Th y nhi t lò phủ ệ ản ứng & truyền nhiệt

Năng lượng giải phóng từ phản ứng phân hạch được tải đi khỏi thùng lò phản ứng bởi chất làm mát lò và được sử dụng để tạo ra hơi nước làm quay tua bin và phát điện Các kỹ sư hạt nhân

sẽ phối hợp với kỹ sư cơ khí động học dòng chảy để xác định tốc độ trao đổi nhiệt, tốc độ dòng chất làm mát phù hợp chảy trong hệ thống lò phản ứng bằng cách sử dụng các công cụ tính toán

mô phỏng phức tạp có khả năng mô hình hóa kết hợp các hiện tượng hạt nhân và thủy nhiệt 2.3.1.3 Thi t k vùng ho t lò ph n ế ế ạ ả ứng

Với mỗi loại công nghệ nhà máy điện hạt nhân, các kỹ sư tham gia thiết kế vùng hoạt lò phản ứng sử dụng các công cụ mô hình hóa và mô phỏng để tìm ra cấu hình thiết kế tối ưu thỏa

đó các tính toán mô phỏng này cần được thực hiện trên các hệ thống máy tính có cấu hình mạnh

- Phương pháp phân tích an toàn xác suất thực hiện đánh giá rủi ro đối với từng kịch bản thông qua việc tính toán xác suất của mỗi sự kiện khởi phát và tiếp theo là hậu quả có thể nếu xảy

ra sự kiện khởi phát đó Việc này được thực hiện bằng cách xây dựng “cây sự kiện” (event trees) theo tiến trình sự cố từ các sự kiện khởi phát giả định, và “cây lỗi” (fault trees) theo chiều ngược lại từ một sai hỏng giả định của bộ phận hoặc hệ thống nhằm xác định xác suất xảy ra sai hỏng

Kể từ sự cố Fukushima năm 2011, việc đánh giá an toàn nhà là mối quan tâm và ưu tiên xem xét hàng đầu của các quốc gia đã, đang và sẽ vận hành nhà máy điện hạt nhân

2.3.1.5 Qu n lý nhiên li u ả ệ

Quản lý nhiên liệu là công việc thực hiện các nhiệm vụ cơ bản như phân loại, cung ứng, và quản

lý nhiên liệu cho nhà máy trong suốt thời gian vận hành cũng như sau vận hành Một nhiệm vụ quan trọng nữa trong giai đoạn dừng lò chính là thay đảo nhiên liệu (đưa một số bó nhiên liệu mới vào thay cho những bó có độ làm giàu thấp và đảo vị trí) nhằm tối ưu hóa hiệu năng của vùng hoạt lò phản ứng

2.3.1.6 H i quân (v n hành t u ng m ho c t u sân bay h t nhân) ả ậ ầ ầ ặ ầ ạ

Thiết kế lò phản ứng sử dụng cho tầu ngầm và tầu hạt nhân về cơ bản tương tự như các lò phản ứng thương mại công nghệ nước áp lực, ngoại trừ việc chúng có kích thước nhỏ hơn nhiều

và khả năng vận hành trong điều kiện chiến trường khắc nghiệt như chịu được ngư lôi tấn công,

vũ khí tiêu diệt tầu ngầm (depth charge) sử dụng shock thủy lực hoặc điều kiện trọng tải lớn, chịu nhiều lực đẩy như trường hợp tầu sân bay (carrier deck) Như vậy rất nhiều công việc và nhiệm

vụ yêu cầu thực hiện bởi các kỹ sư hạt nhân trên tầu chạy bằng năng lượng hạt nhân giống như

8

trong các nhà máy điện hạt nhân Thực tế cho thấy các kỹ sư đã làm việc tại các đơn vị hải quân

có sử dụng tầu hạt nhân, sau khi xuất ngũ thường tìm được việc làm trong các nhà máy điện hạt nhân thương mại

2.3.2 Năng lượ ng Nhi t h ch và V ệ ạ ật lý Plasma

-Năng lượng nhiệt hạch là nguồn năng lượng tiềm tàng với phạm vi ứng dụng rộng trong thực tế Trái ngược với quá trình phân hạch, quá trình nhiệt hạch kết hợp hai hạt nhân nhẹ ở trạng thái khí ion hình thành lên hạt nhân nặng hơn nhưng có khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng của hai hạt nhân con ban đầu do giải phóng năng lượng (= độ hụt khối) Năng lượng nhiệt hạch là nguồn năng lượng thắp sáng vũ trụ, tồn tại trong mặt trời và các vì sao Năng lượng giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch có thể tồn tại dưới nhiều dạng, bao gồm các hạt mang điện, bức xạ điện từ và hạt

nơ tron, tuy nhiên thách thức thực sự với các kỹ sư hạt nhân và nhà vật lý plasma chính là việc làm sao kiểm soát được phản ứng nhiệt hạch, giống như kiểm soát được phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân Lò phản ứng nhiệt hạch nếu được phát triển thành công sẽ sử dụng nước làm nhiên liệu và như vậy sẽ cung cấp một nguồn năng lượng vô tận cho cuộc sống Để hiện thực hoá nguồn năng lượng có tiềm năng lớn này, một số quốc gia đã phối hợp hình thành lên dự án đa quốc gia ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) nhằm mục đích xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch trong thực tế Trong lĩnh vực này, các kỹ sư hạt nhân sẽ cộng tác cùng các nhà vật lý plasma để thiết kế và phân tích hoạt động nhà máy điện nhiệt hạch cũng như nắm vững được bản chất vật lý của plasma và các ứng dụng của plasma

2.3.3 Vũ khí Hạ t nhân

-Vũ khí phân hạch (bom nguyên tử), vũ khí nhiệt hạch (bom H) và vũ khí kết hợp phản ứng phân hạch-nhiệt hạch tạo nên kho vũ khí hạt nhân của thế giới Kỹ sư hạt nhân tham gia chương trình phát triển vũ khí hạt nhân thực hiện rất nhiều mảng công việc khác nhau như nghiên cứu, phát triển, thiết kế, chế tạo, sản xuất, thử nghiệm, bảo dưỡng, giám sát hệ thống vũ khí hạt nhân Do

vũ khí hạt nhân là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, quá trình sản xuất cần phải có sự phối hợp của các nhà khoa học và kỹ sư từ rất nhiều lĩnh vực Có thể thấy các khoá học huấn luyện và đào tạo

về vũ khí hạt nhân thường không có trong cấu trúc chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Hạt nhân thông thường do lĩnh vực này được xếp vào loại tuyệt mật và tuân theo quy định nghiêm ngặt về an ninh quốc gia